(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送水管（３）の途中に発電機（５）と、減圧弁（４）とを設けた水力発電装置において、
上記送水管（３）の上流側に上記減圧弁（４）を、下流側に上記発電機（５）を直列に設けるとともに、上記発電機（５）の出口側の水圧を予め決定した一定圧力に保つように上記減圧弁（４）に設けた主弁（１２）の開弁度を調節する調節機構を設け、
上記調節機構は、上記発電機（５）の出口側の送水管（３）と、上記主弁（１２）が収納されたシリンダ室（１６）とを管体（７）で接続するとともに、この管体（７）の途中に上記発電機（５）の出口側の送水管（３）内の水圧を調節する開閉弁（８）を設けたものであって、上記管体（７）を通して検知される上記発電機（５）の出口側の送水管（３）内の水圧に対応して上記開閉弁（８）が開弁し、上記管体（７）を通して上記シリンダ室（１６）から上記発電機（５）の出口側の送水管（３）に水を送り出すことにより上記主弁（１２）の開弁度を調節し、上記発電機（５）の出口側の送水管（３）内の水圧を一定に維持し得るようにしたことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
上記調節機構は、上記シリンダ室（１６）内の水圧と上記主弁（１２）の移動軸方向に投影した上記主弁（１２）の上記シリンダ室（１６）側の正射影面積との積から求まる上記主弁（１２）の入口側（９）への押し込み力と、上記入口側（９）の水圧と上記主弁（１２）の入口側（９）の上記正射影面積との積から求まる上記主弁（１２）のシリンダ室（１６）側への押し込み力との差に対応して上記主弁（１２）の上記開弁度を調節するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水力発電後の出口側水圧が常に一定になるようにした水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な水力発電装置の構成を図３に示す。この水力発電装置は、上流側に設けられた貯水設備１から、下流側の一般家庭等２に水を送る送水管３の途中に設けられ、この水力発電装置内に設けられた発電機５によって、送水管３を流通する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【０００３】
この水力発電装置で発電に用いられた後の出口側水圧（２次圧）は、この水力発電装置に流入する入口側水圧（１次圧）及び発電機５による圧力損失の変動に伴って変動する。この２次圧が変動すると、一般家庭等２における水の使用の際に不都合を生じる恐れがある。
【０００４】
そこで、上記２次圧を常に一定に保つため、例えば、発電機５と並列にバイパス水路を設けるとともに、このバイパス水路に減圧弁４を設ける構成が開示されている（特許文献１の図３を参照）。
【特許文献１】特開２００６−８３７５８号公報
【０００５】
一般的な減圧弁４を図４ａ及び図４ｂを用いて説明すると、この減圧弁４は、水の入口側９（１次側）と出口側１０（２次側）とが、シリンダ１１と、このシリンダ１１に収納された主弁１２とで仕切られており、これらが弁箱１３に収納されている。この主弁１２は、このシリンダ１１の内壁に沿って上下動し得る。
【０００６】
この主弁１２が可動範囲の最下端にあるとき（図４ａを参照）は、この主弁１２が１次側９と２次側１０との間を閉塞するため、水が流通することはできないが、この主弁１２が上に移動すると、主弁１２に形成したガイド１４のＶポート１５を通じて、１次側９から２次側１０に水が流通し得る（図４ｂ中の矢印ｆを参照）。
【０００７】
この減圧弁４には、この減圧弁４の２次側１０とシリンダ室１６とを接続する２次圧検知管７が設けられ、この２次圧検知管７には、２次圧を所定の値に調節するための開閉弁８が設けられている。この開閉弁８には、弁体１７と圧力調節ねじ１８が、ばね弾性体１９を介して設けられている。この圧力調節ねじ１８をねじ込むと、それに対応してばね弾性体１９の全長が変化し、この弾性力が変わる。
【０００８】
上記２次圧が、開閉弁８の圧力調節ねじ１８により設定された圧力よりも高い場合、２次圧検知管７を通して開閉弁８のパイロット室２２に上記２次圧が伝わり、ばね弾性体１９がダイヤフラム２３を介して縮まり、このダイヤフラム２３に連結された弁体１７が２次圧検知管７の流路を閉塞し、シリンダ室１６内の水が２次圧検知管７を通して２次側に流れなくなる。このとき、シリンダ室１６内と入口側９とは、貫通孔２０によりつながっているので、両者の水圧は等しい。
【０００９】
上記２次圧が、開閉弁８の圧力調節ねじ１８により設定された圧力よりも小さくなると、２次圧検知管７を通して開閉弁８のパイロット室２２の圧力も下がり、ダイヤフラム２３を押し上げるパイロット室２２の圧力よりも、ばね弾性体１９の弾性力が勝り、このばね弾性体１９が伸びる。これにより、ダイヤフラム２３に連結した弁体１７が下がり、２次圧検知管７の流路が開放し、シリンダ室１６内の水が２次圧検知管７を通して２次側に流出する。この流出により、シリンダ室１６内の水圧が低下する。この水圧低下を補うために、貫通孔２０を通して入口側９からシリンダ室１６に水が流入するが、貫通孔２０が小さいため、上記水圧低下を十分補うための水が補給されない。このため、シリンダ室１６内の水圧は、入口側９の水圧と比較して低くなる。
【００１０】
このシリンダ室１６内の水圧と上記主弁１２の移動軸方向に投影した上記主弁１２の上記シリンダ室１６側の正射影面積との積から求まる上記主弁１２の入口側９への押し込み力と、上記入口側９の水圧と上記主弁１２の入口側９の上記正射影面積との積から求まる上記主弁１２のシリンダ室１６側への押し込み力との差に対応して、上記主弁１２の開弁度が所定の２次圧を維持するように調節される。
【００１１】
この主弁１２には、その上下動の中心軸に貫通孔２０が形成され、この貫通孔２０には、弁箱１３に固定されたニードル２１が差し込まれている。このニードル２１には先端ほど細くなるテーパが形成され、このニードル２１と貫通孔２０の間の隙間を通って、１次側９とシリンダ室１６との間で水が流通し得るようになっている。
【００１２】
この主弁１２の開弁度が大きいときは、上記隙間が広く上記流通がスムーズになされるため、主弁１２が速やかに動き得る。その一方で、上記開弁度が小さいときは、上記隙間が狭く上記流通が起こりにくいため、主弁１２の急な動きが制限される。このため、上記主弁１２が勢いよく閉弁して送水管内の水圧が急激に変化し、この送水管内に衝撃が伝わる、いわゆるウォーターハンマー現象が回避される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記発電機と並列に上記減圧弁を設ける構成は、水力発電機の出口側水圧（２次圧）が所定の水圧になると上記減圧弁が閉弁する一方で、上記発電機には流量を制御する機能がないために、上記所定の水圧となった後も水が流動し続ける。その結果、時間とともに上記２次圧が変動し（少しずつ高くなり）、一定の水圧に保つことができないという問題がある。
【００１４】
また、この上記構成においては、上記送水管を流れる水が上記発電機、又は、上記減圧弁を通る流路のいずれかに分岐され、このうち、上記発電機を通る水のみが発電に寄与する。このため、上記減圧弁を流れる水からは電気エネルギーを回収できず、高い発電効率が得られないという問題もある。
【００１５】
そこで、この発明は、送水管の途中に発電機と、減圧弁とを設けた水力発電装置において、この水力発電装置の出口側水圧（２次圧）を一定に保つとともに、上記送水管を流通する水から電気エネルギーを効率的に回収することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、この発明は、送水管の途中に発電機と、減圧弁とを設けた水力発電装置において、上記送水管の上流側に上記減圧弁を、下流側に上記発電機を直列に設けるとともに、上記発電機の出口側の水圧を予め決定した一定圧力に保つように上記減圧弁に設けた主弁の開弁度を調節する調節機構を設ける構成とした。
【００１７】
この出口側水圧（２次圧）は、上記発電機の入口側水圧（１次圧）の変動（例えば貯水設備の貯水量の変化）のみならず、送水管を流動する水の流量の変動に伴う、発電機の回転数の変動によっても変動し得る。このため、上記１次圧のみに基づいて上記２次圧を制御するのは困難であるといえる。
【００１８】
これに対し、上記発電機の２次圧を直接検知して、この２次圧を一定にするように上記主弁の開弁度を調節することにより、上記１次圧の変動や、上記発電機を流通する水の流量の変動に関係なく、下流側の一般家庭等への供給水圧（２次圧）を常に一定に維持し得る。
【００１９】
また、上記減圧弁と上記発電機を直列に設けることにより、上記送水管を流通する水の全量が上記発電機を通るので、従来技術のように水の一部が上記発電機を通らない経路を流通して、電気エネルギーの回収効率が低下するのを抑制し得る。
【００２０】
また、上記構成において、上記調節機構が、上記発電機の出口側と、上記主弁が収納されたシリンダ室とを管体で接続するとともに、この管体の途中に上記出口側の水圧を調節する開閉弁を設けたものであって、上記出口側の水圧を上記管体を通して開閉弁で検知し、上記シリンダ室から上記出口側に水を排出し、上記シリンダ室内の水圧と上記主弁の移動軸方向に投影した上記主弁の上記シリンダ室側の正射影面積との積から求まる上記主弁の入口側への押し込み力と、上記入口側の水圧と上記主弁の入口側の上記正射影面積との積から求まる上記主弁のシリンダ室側への押し込み力との差に対応して上記主弁の開弁度を調節するようにすることができる。
【００２１】
上記主弁の入口側への押し込み力の方が上記シリンダ室側への押し込み力よりも大きい場合は、上記シリンダ内の主弁が閉弁方向に動いて水の流れを遮断する。この一方で、上記シリンダ室側への押し込み力の方が入口側への押し込み力よりも大きい場合は、上記主弁が開弁方向に動いてこの主弁に形成したガイドのＶポートを通って水を流通することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によると、上記発電機の２次圧に基づいて上記減圧弁の開弁度を調節するようにしたので、この２次圧を常に所定の値に保つことができる。このため、一般家庭等で水を使用する際に、水圧の変動が生じる恐れがない。
【００２３】
また、上記減圧弁と上記発電機を直列に設けたので、送水管内の水の全量を上記発電機に流通することができる。このため、上記送水管を流通する水から電気エネルギーを効率的に回収し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１にこの発明に係る水力発電装置の構成例を示す。この水力発電装置は、上流側に設けられた貯水設備１から、下流側の一般家庭等２に水を送る送水管３の途中に設けられ、この送水管３には、上流側に減圧弁４が、下流側に水車発電機５が直列に設けられる。この減圧弁４の上流側及び水車発電機５の下流側には、水圧をモニターするための水圧計６がそれぞれ設けられている。
【００２５】
この減圧弁４の２次圧検知管７は、一端が水車発電機５の２次側（出口側）に接続される一方で、他端は開閉弁８を介して減圧弁４のシリンダ室１６に接続される点で、従来技術で説明した構成と異なる（図１及び図２参照）。その他の構成は従来技術と同じなので説明は省略する。
【００２６】
この２次圧検知管７で検知した２次側の水圧（２次圧）の大きさに対応して開閉弁８の弁体１７が開弁し、この開弁の際に、２次圧検知管を通って減圧弁のシリンダ室１６側から２次側に水が排出される。この送り込まれた水による主弁１２の入口側９への押し込み力と、入口側９の水による主弁１２のシリンダ室１６側への押し込み力を比較し、両押し込み力の大小関係によって、主弁１２の開弁度が決まる。
【００２７】
上記構成において、２次圧検知管７で上記２次圧を直接検知することによって主弁１２の開弁度を決めるようにしたので、発電機５の入口側水圧（１次圧）や送水管３を流通する水の流量にかかわらず、上記２次圧を一定に保つことができる。
【００２８】
また、上記構成において、発電機５は減圧弁４と直列に設けられているので、この送水管３を流れる水の全量がこの水車発電機を通る。このため、送水管３を流れる水から電気エネルギーを効率的に回収することができる。
【００２９】
また、一次圧が大きく、水の流量が大きい送水管３（例えば、貯水設備１の設置位置が高い場合）においては、減圧弁４による減圧の際にこの減圧弁４に大きな負担がかかり、減圧弁４の寿命が短くなる恐れがある。しかしながら、上記構成のように減圧弁４と発電機５を直列に設けることで、この発電機５による発電とともに減圧もなされるため、この減圧弁４にかかる負担が軽減され、減圧弁４の長寿命化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明に係る水力発電装置の構成を示す図
【図２】この発明に係る減圧弁を示す断面図
【図３】従来技術に係る水力発電装置の構成を示す図
【図４ａ】一般的な減圧弁の作動状況を示す断面図であって、主弁が閉弁している状態
【図４ｂ】一般的な減圧弁の作動状況を示す断面図であって、主弁が開弁している状態
【符号の説明】
【００３１】
１  貯水設備
２  一般家庭等
３  送水管
４  減圧弁
５  発電機
６  水圧計
７  管体（２次圧検知管）
８  開閉弁
９  入口側（１次側）
１０  出口側（２次側）
１１  シリンダ
１２  主弁
１３  弁箱
１４  ガイド
１５  Ｖポート
１６  シリンダ室
１７  弁体
１８  圧力調節ねじ
１９  ばね弾性体
２０  貫通孔
２１  ニードル
２２  パイロット室
２３  ダイヤフラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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